JP4457461B2

JP4457461B2 - 重ね合わせ測定装置および方法

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Publication number: JP4457461B2
Application number: JP2000114648A
Authority: JP
Inventors: 達雄福井; 啓一細井
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Filing date: 2000-04-17
Publication date: 2010-04-28
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Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、たとえば半導体ウエハなどの検査対象物上の重ね合わせマークを観察して層間マークの位置ズレを検出する重ね合わせ測定装置およびその測定方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ウエハに半導体パターンを形成するリソグラフィ工程では、異なったパターンが形成された複数のレチクルが使用される。まず、１層用のパターンが形成されているレチクルを透過するパターンの像でウエハの第１層レジストを露光して現像する。次いで、２層用のパターンが形成されているレチクルを透過するパターンの像で、第１層パターンの上に塗布されている第２層レジストを露光して現像する。このような露光現像処理を複数回行ってウエハに所定のパターンが形成される。このようなリソグラフィ工程にあっては、下層と上層のパターン、たとえば第１層のパターンと第２層のパターンを正しい位置関係で形成する必要がある。
【０００３】
上下層のそれぞれのパターンが形成されているレチクルには、本来のパターンに加えて重ね合わせマークも形成されている。下層パターンが形成されたウエハ上に上層パターンを形成したとき、下層パターンと上層パターンとが正しい位置関係で形成されていれば、上下２層の重ね合わせマークの相対位置関係、すなわち位置ズレは所定の誤差範囲となる。
【０００４】
上層パターンの現像が終了するごとに、重ね合わせ測定装置により上記相対位置関係を計測し、所定の誤差範囲から逸脱したウエハは不良品とする。上記重ね合わせ測定装置は、たとえば、照明光源と、照明光源からの照明光を重ね合わせマーク上に照射する照明光学系と、照明された重ね合わせマークの反射光をＣＣＤのような撮像装置に結像させる結像光学系と、撮像装置からの検出信号に所定の処理を施して上述した重ね合わせ誤差を検出する信号処理系とを備えている。
【０００５】
ところで、上記重ね合わせ測定装置では、次のような現象に基づいて測定誤差が発生する。
（１）照明光学系および結像光学系で構成される測定光学系それ自身が有する光軸に非回転対称なコマ収差が存在する。
（２）照明光学系によりウエハ上に入射する照明光の入射角度が垂直でないことによる照明テレセン誤差がある。
（３）ウエハから撮像装置へ反射光が導かれる光路内で反射光は一部ケラレ、反射光束の一部が撮像装置に入射しないことによるケラレ誤差がある。
【０００６】
以上の（１）〜（３）の現象は一例である。これらの誤差要因は測定装置の使用時間に依存して変動して、誤差が大きくなる。そこで、重ね合わせ測定装置が有する上記のような測定誤差を定期的に計測して調整する必要がある。
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来は、不良品が発生する割合が多くなったときに測定誤差がある程度以上大きくなったと判断する。このとき、通常の検査作業をいったん中断してメンテナンス作業に移行し、上述した測定誤差の要因となる光学系の精度を計測し、その計測結果に基づいて光学系を調整して精度を所定値以上に設定している。すなわちこのメンテナンス作業では、計測マークが設けられた計測用標準ウエハをステージ上に載置し、上述した精度を計測する。そして、計測結果に基づいて、上記（１）〜（３）の要因を取り除く調整作業を行う。このように、通常の検査作業を中断した上で、上述した精度を測定して調整作業を行うため、全体としての装置の使用効率が悪化するという問題がある。このような問題は、アライメント光学系の光軸と測定光学系の光軸の間の距離、いわゆるベースライン距離についても同様である。
【０００８】
本発明の目的は、測定誤差が所定以上に大きくなる前に所定のタイミングで光学系の精度を測定することによりスループットを向上させるようにした重ね合わせ測定装置及びその方法を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
一実施の形態の図９に対応づけて本発明を説明する。
（１）請求項１による重ね合わせ測定装置は、第１の基準マーク１２３Ｂと、前記第１の基準マークを内包し第１の基準マーク１２３Ｂよりも大きな第２の基準マーク１２３Ａとを有する定数管理基準マーク１２３が設けられ、検査対象物２１を載置する移動可能な載置台２２Ｚと、照明光を出射する照明光源１と、載置台２２Ｚの移動に伴い、照明光源１からの照明光を検査対象物２１上の重ね合わせマーク２０および定数管理基準マーク１２３のいずれかに照射する照明光学系１〜６と、照明された重ね合わせマーク２０および定数管理基準マーク１２３のいずれか一方からの反射光を光電変換素子８上に結像させる結像光学系５〜８，１１，２４，２５と、光電変換素子８からの検出信号に基づいて、２層に重なる重ね合わせマーク２０の位置ズレを検出する位置ズレ検出装置９と、結像光学系５〜８，１１，２４，２５の視野領域よりも広い視野領域を有するアライメント光学系３１〜３７と、載置台２２Ｚの移動に伴い、定数管理基準マーク１２３の第１の基準マーク１２３Ｂを結像光学系で検出したときの載置台２２Ｚの位置と、定数管理基準マーク１２３の第２の基準マーク１２３Ａをアライメント光学系で検出したときの載置台２２Ｚの位置とに基づいて結像光学系とアライメント光学系との軸間距離を計算する制御系ＭＣとを備えることを特徴とする。
（２）請求項２による重ね合わせ測定装置は、請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、第１の基準マーク１２３Ｂは、第２の基準マーク１２３Ａの中心に相似形状で形成されていることを特徴とする
（３）請求項１または請求項２のアライメント光学系で検査対象物２１をアライメントした後、あらかじめ設定されている軸間距離だけ載置台２２Ｚを移動して、重ね合わせマーク２０を結像光学系の光軸ＡＸに位置合わせして重ね合わせマークを測定する方法において、定数管理基準マーク１２３の第２の基準マーク１２３Ａをアライメント光学系で検出し、そのときの載置台２２Ｚの第１の位置を記憶し、定数管理基準マーク１２３の第１の基準マーク１２３Ｂを結像光学系で検出し、そのときの載置台２２Ｚの第２の位置を記憶し、記憶された第１の位置と第２の位置とに基づいて軸間距離を計算し、今回計算された軸間距離と前回計算された軸間距離との差分を算出し、その差分をアライメント時の載置台２２Ｚの移動量にフィードバックすることを特徴とする。
【００１０】
以上の課題を解決するための手段の項では、実施の形態の図を用いて発明を説明したが、これにより本発明が実施の形態に限定されるものではない。
【００１１】
【発明の実施の形態】
−第１の実施の形態−
本発明による重ね合わせ測定装置の第１の実施の形態を図１に基づいて説明する。上述したように、半導体製造のリソグラフィ工程では、下層と上層のパターン、たとえば第１層のパターンと第２層のパターンを正しい位置関係で形成する必要がある。そこで、上下層のそれぞれの回路パターンに加えて、重ね合わせマークも形成される。下層パターンが形成されたウエハ上に上層パターンを形成したとき、下層パターンと上層パターンの重ね合わせマークの位置ズレを測定し、上下２層の重ね合わせマークの相対位置関係、すなわち位置ズレが所定の誤差範囲であれば、良品として次工程へ搬送する。図１の重ね合わせ測定装置はこの位置ズレを測定するものである。
【００１２】
図１は、本発明の第1実施の形態による重ね合わせ測定装置の構成を概略的に示す図である。図1では、重ね合わせ測定装置の光軸ＡＸに平行にＺ軸が、光軸に垂直な平面内において図1の紙面に平行な方向にＸ軸が、Ｚ軸およびＸ軸に垂直な方向にＹ軸がそれぞれ設定されている。
【００１３】
ウエハ２１は、図示を省略したウエハホルダを介してＺステージ２２Ｚ上においてＸＹ平面とほぼ平行に支持されている。Ｚステージ２２Ｚは、ステージ制御系ＳＣによって、光軸ＡＸに沿って駆動される。Ｚステージ２２ＺはＸＹステージ２２ＸＹ上に支持されている。ＸＹステージ２２ＸＹもステージ制御系ＳＣによって、光軸ＡＸに対して垂直なＸＹ平面内において二次元的に駆動される。
【００１４】
Ｚステージ２２Ｚの上面には図２に示す位置に、シリコンウエハ製のＸ軸方向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂが設けられている。Ｘ軸方向精度基準マーク２３ａは、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、シリコンウエハ上に所定の深さのラインマークＬＭをＹ軸方向に所定間隔で形成した位相パターンである。マークＬＭは、図３に示すように線幅３μｍ、ピッチ６μｍの格子状マークであり、段差は照明光の中心波長のλ／８に相当する８０ｎｍである。Ｙ軸方向精度基準マーク２３ｂも同様に、シリコンウエハ上に所定の深さのラインマークＬＭをＸ軸方向に所定間隔で形成した位相パターンである。すなわち、あらかじめこのような精度基準マーク２３ａ，２３ｂを形成したシリコンウエハをＺステージ２２Ｚ上に接着により取り付ける。こうした位相パターンは、たとえば投影露光装置で露光処理したシリコンウエハをエッチング処理することにより、所望の精度で正確な形状に形成することができる。
【００１５】
図1に示す重ね合わせ測定装置は、照明光ＡＬを供給するために、たとえばハロゲンランプのような光源１を備えている。光源１からの光は、たとえば図示しない光ファイバーのようなライトガイドを介して所定位置まで導かれる。ライトガイドの射出端から射出された照明光は、照明開口絞り１０で制限された後、図１（ｂ）に示すような断面形状Ｓ１を有する照明光束となってコンデンサレンズ２に入射する。
【００１６】
コンデンサレンズ２を通過した照明光ＡＬは、いったん集光された後、照明視野絞り(不図示)を介して照明リレーレンズ４に入射する。照明リレーレンズ４により平行光となった照明光ＡＬは、ハーフプリズム５で下方へ反射された後、第1対物レンズ６に入射する。第1対物レンズ６で集光された照明光ＡＬは、ウエハ２１上に形成された重ね合わせマーク２０を照明する。また、この照明光ＡＬは、Ｚステージ２２Ｚ上のＸ軸方向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂを照明する。すなわち、測定装置の結像光学系の光軸上に位置する種々の測定対象マークを照明することができる。重ね合わせ測定装置の測定誤差を定期的に計測するとき、測定対象マークはＸ軸方向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂとなり、ウエハ２１の上下層の重ね合わせマーク２０の位置ズレを計測するとき、測定対象マークは重ね合わせマーク２０となる。
【００１７】
このように、光源１、照明開口絞り１０、コンデンサレンズ２、照明視野絞り(不図示)、照明リレーレンズ４、ハーフプリズム５、および第1対物レンズ６は、測定対象マークに照明光を照射するための照明光学系を構成している。
【００１８】
照明光ＡＬに対する測定対象マークからの反射光は、第１対物レンズ６を介してハーフプリズム５に入射する。ハーフプリズム５で図中上方に透過する光は、第２対物レンズ７により１次結像面に測定対象マークの像を形成する。この像は第１結像リレーレンズ系２４および第１結像リレーレンズ系２５を介してＣＣＤ８に入射する。ＣＣＤ８には、露光作業中はショットごとに重ね合わせマークの像が結像される。また、メンテナンス作業中はＸおよびＹ軸方向精度基準マーク２３ａ、２３ｂの像が結像される。ＣＣＤ８は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向のパターンの位置を計測する必要があるから、画素並びがＸ軸及びＹ軸の各方向に延在するＸ軸領域とＹ軸領域とを有する。なお、第１結像リレーレンズ系２４および第１結像リレーレンズ系２５の平行光路中には、結像開口絞り１１が配置されている。
【００１９】
このように、第1対物レンズ６、ハーフプリズム５、第２対物レンズ７、第１結像リレーレンズ系２４および第１結像リレーレンズ系２５、および結像開口絞り１１は、照明光に対する測定対象マークからの反射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を構成している。
【００２０】
こうして、ＣＣＤ８のＸ軸領域とＹ軸領域のそれぞれの撮像面に結像された重ね合わせマーク２０の像や精度基準マーク２３ａ，２３ｂの像は光電変換されてＣＣＤ８から出力される。ＣＣＤ８からの出力信号は信号処理系９に供給され、信号処理系９において信号処理(波形処理)により得られる信号強度のプロファイルは図３（ｃ）に示すようなものとなる。測定対象マークの位置情報は、主制御系ＭＣに供給される。そして、主制御系ＭＣにより、重ね合わせマークの位置ズレ演算や、後述する測定精度を表す指標βの演算、および測定誤差ＴＩＳの演算が行われる。
【００２１】
図４（ａ）、（ｂ）は、上下の重ね合わせマーク２０Ｌ、２０Ｕの一例を示す図である。（ａ）に示されるように、上地重ね合わせマーク２０Ｕと下地重ね合わせマーク２０Ｌとの位置ズレは、両者の中心線ＣＬＵとＣＬＬとのズレ量Ｒで示される。図５に示すように、たとえば第１〜第５ショットＳＲ１〜ＳＲ５の重ね合わせマークについてそれぞれ重ね合わせズレ量Ｒを検出する。ここで、図５（ｂ）は（ａ）に対してウエハを１８０度回転させた状態であり、この実施の形態では、図５（ａ）と図５（ｂ）の２つの方向、すなわち０度方向と１８０度方向について、第１〜第５ショットＳＲ１〜ＳＲ５の位置ズレを検出する。そして、次式（１）により、測定誤差ＴＩＳを算出する。
ＴＩＳ＝（Ｒ₀＋Ｒ₁₈₀）／２（１）
Ｒ₀は図５（ａ）に示す０度方向での位置ズレ量
Ｒ₁₈₀は図５（ｂ）に示す１８０度方向での位置ズレ量
【００２２】
なお、実際はウエハ２１上に設定されたすべてのショットに対して，Ｘ軸方向とＹ軸方向のズレ量ＲＸとＲＹのそれぞれについて、式（１）で示される測定誤差ＴＩＳを算出して、測定誤差ＴＩＳが所定値以上のショットが発生すると露光不良と判定してウエハを不良品とする。そして、第１の実施の形態では、測定誤差ＴＩＳがいつも所定値以下になるように、照明光学系と結像光学系の精度を、後述するいわゆるＱＺ法と呼ばれる調整方法により定期的に調整する。
【００２３】
後述するように、照明開口絞り１０は駆動系ＤＣ１０により光軸に対する傾きや光軸方向の位置を調整され、照明テレセンを調整することができる。結像開口絞り１１は駆動系ＤＣ１１により光軸に対する傾きや光軸方向の位置を調整され、反射光束のケラレを調整することができる。第２対物レンズ７やリレーレンズ２４は駆動系ＤＣ７や駆動系ＤＣ２４により駆動され、結像光学系のコマ収差を補正することができる。これら駆動系ＤＣ１０，１１，７，２４は主制御系ＭＣに接続され、主制御系ＭＣからの指令により駆動される。主制御系ＭＣは、たとえばキーボードのような入力装置ＩＰを介して、各駆動系に対する各種指令を出力してもよい。
【００２４】
上述したように、Ｚステージ２２上の精度基準マーク２３ａ，２３ｂはＣＣＤ８の計測方向に沿って周期的な位相変化を繰り返すデューティ比が1対1の位相パターンである。なお、後述する光学系の収差測定などにおいて鋭敏な検出感度を得るためには、位相パターンの反射振幅位相分布の位相変化量Φが、ＣＣＤ８で検出する光束の中心波長に対して以下の式(２)を満足することが望ましい。
Φ=π（２ｎ−１）／２（ｎは自然数） (２)
【００２５】
図６は、位相パターン像の光強度に応じた信号Ｖを非計測方向に積分した積分信号ΣＶを、計測方向Ｓに対してプロットした図であって、位相パターン像の非対称性の指標βを説明するための図である。第1の実施の形態では、位相パターンからなる精度基準マーク２３ａ，２３ｂの像がＣＣＤ８のＸ軸領域及びＹ軸領域の各撮像面にそれぞれ形成される。したがって、図６では、ＣＣＤ８からの撮像信号Ｖを非計測方向に積分した積分信号ΣＶを計測方向Ｓに対してプロットしている。
【００２６】
図６に示すように、積分信号ΣＶは、計測方向Ｓに沿って周期ＢＰ(Ｂ:結像光学系の倍率,Ｐ:Ｚステージ２２上における位相パターンＷＭのピッチ)毎に変化する。第1の実施の形態では、位相パターン像の非対称性を定量化するために、積分信号ΣＶの分布においてｉ番目(図６では２番目)の周期における図中左右の信号極小値(落ち込みエッジ部の信号値)をそれぞれＶｉＬ及びＶｉＲ（ｉ＝１，２，３・・・)とする。また、積分信号ΣＶの両端部分を除き各周期に亘る全体領域において、信号の最大値および最小値をそれぞれＶmaxおよびＶminとする。
【００２７】
そして、位相パターン像の非対称性の指標βを、次の式（３）に基づいて求める。
β＝Σ｛ＶｉＬ−ＶｉＲ／（Ｖmax−Ｖmin）｝／ｎ（３）
ここで、ｎは周期数であり、Σはｉ＝１〜ｎまでの総和記号である。
【００２８】
図７および図８は、主制御系ＭＣの指令に基づきステージ制御系ＳＣがＺステージ２２Ｚを適宜駆動して得られる各デフォーカス状態での位相パターン像の非対称性の指標βの変化とコマ収差や光軸ずれ等との関係を示す図である。結像光学系および照明光学系に残存収差がなくかつ光軸ずれも存在しない理想的な光学調整状態では、図７（ａ）において直線Ｌ１で示すように、デフォーカス量Ｚに依存することなく指標βは0である。
【００２９】
また、照明光学系において物体面、すなわちウエハ面を照射する照明光ＡＬの主光線がウエハ面の法線に対して傾斜している場合、すなわち照明テレセンがある場合には、図７（ｂ）において直線L２で示すように、デフォーカス量Ｚに依存することなく指標βは一定のオフセット値Ｂをとる。このオフセット値Ｂは、物体面の法線に対する照明光の主光線の傾斜量すなわち照明テレセン量にほぼ比例する。
【００３０】
結像光学系にコマ収差が存在する場合、図８（ａ）において直線Ｌ３で示すように、指標βはデフォーカス量Ｚに依存してほぼ線形的な変化を示す。そして、この直線Ｌ３の傾きＣは、コマ収差量にほぼ比例する。また、結像光学系において結像光束のケラレが存在する場合、図８（ｂ）において示すように、指標βはデフォーカス量Ｚの変化に応じて折れ線、あるいは破線で示すような湾曲した曲線Ｌ４で示すような変動を示す。そして、この折れ線または湾曲線Ｌ４の折れ曲がり量Ｄは、結像光束のケラレ量にほぼ比例する。
【００３１】
こうして、位相パターン像をデフォーカスさせて得られる指標βとデフォーカス量Ｚとの関係から、オフセット値Ｂにより照明テレセンを、傾きの値Ｃによりコマ収差を、折れ曲がり量Ｄから光束ケラレをそれぞれ求めることができる。
【００３２】
また、上述の説明において、位相パターン像を検出する領域を所望の範囲に限定してもよい。すなわち、式（２）において、ｉ＝１〜ｎの範囲を限定してもよい。このように限定することにより、物体面上の任意の位置における被検光学系（照明光学系と結像光学系）の照明テレセン、光束ケラレ、コマ収差を検査することができる。更に、視野の各点に対して上述の検査を行うことにより、例えば検出視野内の偏心コマ収差と像高コマ収差とを判別したりすることが可能になる。また、照明テレセンや光束ケラレに関しても同様である。
【００３３】
以上、位相パターン像をデフォーカスしながら位相パターン像のエッジの非対称性の指標βを計測することにより、被検光学系の光束ケラレ、照明光の傾斜、すなわち、照明テレセンに加え、コマ収差を計測することについて説明した。次に、これらの検査情報(検出結果)に基づいて行われる補正や調整、すなわち被検光学系の収差に関する調整の方法や、照明テレセンに関する照明開口絞りの位置調整の方法、反射光のケラレに関する結像開口絞りの位置調整の方法について説明する。
【００３４】
まず、照明テレセン(照明光の傾斜)の調整を行うには、照明開口絞り１０の位置調整を行う。具体的には、図７（ｂ）に示すオフセット値Ｂがゼロとなるように、駆動系ＤＣ１０を介して照明開口絞り１０を光軸に対して垂直方向または並進方向にトライアンドエラー方式で適宜駆動し、最適値を決定する。なお、コンデンサレンズ２と前段あるいは後段の光路中に、または照明リレーレンズ４とハーフプリズム５との間の光路中に、平行平面板を設けてもよい。この平行平面板を傾斜させることによって、照明テレセンの調整を行うことができる。
【００３５】
結像光束のケラレの調整を行うには、結像開口絞り１１の位置調整を行う。具体的には、図８（ｂ）に示す折れ曲がり量Ｄが最小となるように、駆動系ＤＣ１１を介して結像開口絞り１１を光軸に対して垂直方向または並進方向にトライアンドエラー方式で適宜駆動し、最適値を決定する。なお、ハーフプリズム５と第２対物レンズ７との間の光路中に、またはリレーレンズ２４とリレーレンズ２５との間であって結像開口絞り１１よりもウエハ２１側の光路中に平行平面板を設けてもよい。この平行平面板を傾斜させることによって、結像光束のケラレ、すなわち反射光束のケラレ調整を行うこともできる。
【００３６】
結像光学系の球面収差の補正を行うには、図８（ａ）に示す傾きＣが最小となるように、例えば、第２対物レンズ７やリレーレンズ２４を光軸に沿ってトライアンドエラー方式で適宜駆動し、最適値を決定する。あるいは、第２対物レンズ７とリレーレンズ２４との間隔を変化させることにより、結像光学系の球面収差を補正することができる。また、Ｚステージ２２を駆動してウエハ面と第1対物レンズ６との間隔を変化させることによっても、球面収差を制御することができる。ただしこの場合には、ＣＣＤ８を光軸方向に適当に並進させることにより、ＣＣＤ８の撮像面上での像のデフォーカス分を吸収しなければならない。
【００３７】
なお、結像光学系の偏心コマ収差は、第２対物レンズ７やリレーレンズ２４のレンズ系全体または一部のレンズを光軸に対して垂直に偏心駆動することにより補正が可能である。また、光軸上非点収差の補正を行うには、ＣＣＤ８を光軸方向に沿って適宜移動させればよい。
【００３８】
さらに、像高コマ収差、像面湾曲、像面傾斜などの収差は、光学設計上の考慮や製造上の管理で通常問題になることは少ない。しかしながら、結像光学系の一部のレンズ系のレンズタイプを変更して入れ替えたり、一部のレンズ系を偏心させたりすることにより、これらの収差も必要に応じて補正することができる。色収差の補正に関しても、これらの収差と同様である。
【００３９】
以上説明したように、第１の実施の形態の重ね合わせ測定装置では、Ｚステージ２２上にＸ軸方向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂを設けている。ウエハ露光処理作業中に、たとえば、所定時間ごとに、ウエハの露光処理を中断してＸＹステージ２２ＸＹにより測定装置の光軸ＡＸ上に上記Ｘ軸方向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂを位置決めする。その上で、Ｚ軸ステージ２２Ｚを主制御系ＭＣの制御のもとで昇降して、図７（ｂ）、図８（ａ）、（ｂ）のそれぞれの値Ｂ、Ｄ、Ｃを計測する。これらの値がもっとも小さくなるように、駆動系ＤＣ１０，１１，７，２４により、照明開口絞り１０、結像開口絞り１１、第２対物レンズ７、リレーレンズ２４をトライアンドエラー方式で適宜駆動し、最適値を決定する。この駆動制御は、たとえば、主制御系ＭＣの制御により全自動で行うこともできるし、一部作業者が入力装置ＩＰにより手動で制御してもよい。
【００４０】
このように、Ｚステージ２２Ｚ上に精度基準マーク２３ａ，２３ｂを設けたので、ウエハ露光処理作業を中断して、適宜、測定装置の光軸上に上記Ｘ軸方向精度基準マーク２３ａとＹ軸方向精度基準マーク２３ｂを位置決めして測定誤差を測定する作業が簡単になる。すなわち、従来のように精度基準マークを有する標準ウエハをＺステージ２２上にセットして測定誤差を測定する方法では、標準ウエハの搬送、セット、位置決め、取り外し搬送などに時間を要するので、ウエハ露光処理作業を中断する時間が長くなる。そして、不良品の発生頻度が大きくなったときに精度を計測し調整していたので、不良品の発生頻度が大きくなり、全体としてのスループットが低下する。この点、第１の実施の形態のようにすれば、不良品の発生がなくなり、全体としてのスループットも向上する。
【００４１】
−第２の実施の形態−
本発明による測定装置の第２の実施の形態を図９に基づいて説明する。図９は図１に示した重ね合わせ測定装置とそのアライメント光学系とを示している。重ね合わせ測定装置で重ね合わせマークを検出するとき、重ね合わせマークを測定装置の光軸ＡＸに正しく位置決めするため、アライメント光学系でウエハ２１をアライメントする。重ね合わせ測定装置は図１と同一であり説明は省略する。
【００４２】
図９に示すアライメント光学系は、照明光ＡＡＬを供給するために、たとえばハロゲンランプのような光源３１を備えている。光源３１からの光は、たとえば図示しない光ファイバーのようなライトガイドを介して所定位置まで導かれる。ライトガイドの射出端から射出された照明光は、コンデンサレンズ３２に入射して１次結像面で結像する。この１次結像面には図９（ｃ）に示すような形状の開口Ｓ２を有する照明視野絞り３３が配設されている。
【００４３】
照明視野絞り３３で開口形状Ｓ２のように規定された照明光は、照明リレーレンズ３４に入射する。照明リレーレンズ３４により平行光となった照明光ＡＡＬは、ハーフプリズム３５で下方へ反射された後、第1対物レンズ３６に入射する。第1対物レンズ３６で集光された照明光ＡＡＬは、ウエハ２１上に形成されたアライメントマーク４０を照明する。また、照明光ＡＡＬは、Ｚステージ２２Ｚ上の定数管理基準マーク１２３を照明する。すなわち、照明光ＡＡＬは、アライメント光学系の結像光学系の光軸ＡＡＸ上に位置する種々の測定対象マークを照明することができる。また、定数管理基準マーク１２３は、重ね合わせ測定装置の結像光学系の光軸ＡＸ上に位置決めすることができるので、測定装置の照明光ＡＬによっても照明される。定数管理基準マーク１２３については後述する。
【００４４】
このように、光源３１、コンデンサレンズ３２、照明視野絞り３３、照明リレーレンズ３４、ハーフプリズム３５、および第1対物レンズ３６は、測定対象マークに照明光を照射するための照明光学系を構成している。
【００４５】
照明光ＡＡＬに対する測定対象マークからの反射光は、第１対物レンズ３６を介してハーフプリズム３５に入射する。ハーフプリズム３５で図中上方に透過する光は、第２対物レンズ３７によりＣＣＤ３８の結像面に結像する。すなわち、ＣＣＤ３８の撮像面には測定対象マークの像が結像する。ＣＣＤ３８には、露光作業中はショットごとにアライメントマーク４０の像が結像される。また、ＣＣＤ３８には、メンテナンス作業中は定数管理基準マーク１２３の像が結像される。ＣＣＤ３８の出力信号は信号処理系３９に入力されて所定の信号処理が施され、露光作業中はアライメントマーク４０の位置が検出される。メンテナンス作業中は定数管理基準マーク１２３の位置が検出される。メンテナンス作業中、定数管理基準マーク１２３は測定装置のＣＣＤ８でも撮像される。この場合、ＣＣＤ８の出力信号を受けた信号処理系９は入力信号に対して所定の信号処理を施し、定数管理基準マーク１２３の位置を検出する。
【００４６】
ここで、第1対物レンズ３６、ハーフプリズム３５、第２対物レンズ３７は、照明光に対する測定対象マークからの反射光に基づいてマーク像を形成するための結像光学系を構成している。
【００４７】
図１０は定数管理基準マーク１２３を示す図である。図１０に示すように、定数管理基準マーク１２３は、大きな十字マーク１２３Ａと、大きな十字マーク１２３Ａの中心に相似形状で形成された小さな十字マーク１２３Ｂとで構成されている。図１０において、Ｓ１１は測定装置の視野領域を示し、Ｓ２１はアライメント光学系の視野領域を示す。そして、ウエハ２１上のアライメントマーク４０はたとえば十字形状の段差マークである。
【００４８】
このようなアライメント光学系を付設する測定装置では、アライメント光学系の光軸ＡＡＸと測定装置の光軸ＡＸとの軸間距離、すなわちベースライン距離をあらかじめ計測しておく。そして、重ね合わせマークの位置ズレ測定に際して、アライメント光学系のＣＣＤ３８によりウエハ２０上のアライメントマーク４０を検出し、その検出結果に基づいてアライメントマーク４０をアライメント光学系の光軸に正しく位置決めする。そして、あらかじめ定められているベースライン距離だけＸＹステージ２２ＸＹを移動する。これにより、ウエハ２０上の重ね合わせマーク２０が測定装置の光軸ＡＸに正しく位置決めされる。
【００４９】
上述したベースライン距離は経時変化する。そこで、Ｚステージ２２Ｚ上の定数管理基準マーク１２３により、定期的にベースライン距離を計測する。まず、定数管理基準マーク１２３をアライメント光学系の光軸ＡＡＸ上に位置決めする。このとき、ＣＣＤ３８の出力信号に基づいて、大きな十字マーク１２３Ａがアライメント視野Ｓ２１の中心にくるようにＸＹステージ２２ＸＹでＺステージ２２Ｚを２次元移動する。すなわち、信号処理系３９からの信号により、主制御系ＭＣ（図１参照）により、ＸＹステージ２２ＸＹによるＺステージ２２Ｚの駆動量を計算し、ステージ制御系ＳＣ（図１参照）によりＸＹステージ２２ＸＹが移動する。そして、このＸＹステージ２２ＸＹの位置を図示しない位置検出装置が計測する。その後、ＸＹステージ２２ＸＹを移動して、定数管理基準マーク１２３を測定装置の光軸ＡＸ上に位置決めする。
【００５０】
このとき、ＣＣＤ８の出力信号に基づいて、小さな十字マーク１２３Ｂが測定視野Ｓ１１の中心にくるようにＸＹステージ２２ＸＹを移動する。すなわち、信号処理系９からの信号により主制御系ＭＣがＸＹステージ２２ＸＹの駆動量を計算し、ステージ制御系ＳＣによりＸＹＺステージ２２ＸＹが移動する。そして、このＸＹステージ２２ＸＹの測定位置を図示しない位置検出装置で計測する。このようにして検出したアライメント位置と測定位置の差分がベースライン距離であり、先に決定されていたベースライン距離との差分が、以降の補正値となる。すなわち、検査処理中にアライメント位置から測定位置へＺステージ２２Ｚを移動する際に上記補正値がベースライン距離演算においてフィードバックされる。
【００５１】
【発明の効果】
本発明によれば次のような効果が得られる。
（１）請求項１の発明では、検査対象物を載置する載置台に精度基準マークを設け、この精度基準マークを使用することにより、測定装置の光学系の精度を計測して調整する作業を短時間で行えるようにした。その結果、従来のように、測定誤差が大きくなってから専用の標準ウエハを使用して精度を測定して調整する場合に比べて、全体的なスループットを向上できる。
（２）載置台上に設けた定数管理基準マークを用いてアライメント光学系の光軸と重ね合わせ測定装置の光軸との間の距離を計測可能としたので、従来のように、定数管理基準マークが形成された標準ウエハを用いる場合に比べてスループットが向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明による重ね合わせ測定装置の第１の実施の形態を示す概略図
【図２】精度基準マークのＺステージ上での位置を説明する図
【図３】精度基準マークの詳細を説明する図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は断面図、（ｃ）は画像信号強度のプロファイル図
【図４】ウエハ重ね合わせマークを説明する図
【図５】ウエハ上におけるウエハ重ね合わせマークの配置例を模式的に示す図
【図６】ＣＣＤからの撮像信号を非計測方向に積分した積分信号ΣＶを示す図
【図７】デフォーカス状態での位相パターン像の非対称性の指標βの変化と照明テレセンとの関係示す図
【図８】デフォーカス状態での位相パターン像の非対称性の指標βの変化とコマ収差や光軸ズレなどとの関係示す図
【図９】本発明による重ね合わせ測定装置にアライメント光学系を付設した第２の実施の形態を示す概略図
【図１０】第２の実施の形態における定数管理基準マークの一例を示す図
【符号の説明】
１、３１：ハロゲンパンプ２、３２：コンデンサレンズ
４，３４，リレーレンズ６，３６：対物レンズ
８，３８：ＣＣＤ９，３９：信号処理系
１０：照明系開口絞り１１：結像系開口絞り
２０：重ね合わせマーク２１：ウエハ
２２Ｚ：Ｚステージ２２ＸＹ：ＸＹステージ
２３ａ，２３ｂ：精度基準マーク２５，３７：結像レンズ
４０：アライメントマーク１２３：定数管理基準マーク
ＳＣ：ステージ制御系ＭＣ：主制御系

Claims

第１の基準マークと、前記第１の基準マークを内包し前記第１の基準マークよりも大きな第２の基準マークとを有する定数管理基準マークが設けられ、検査対象物を載置する移動可能な載置台と、
照明光を出射する照明光源と、
前記載置台の移動に伴い、前記照明光源からの照明光を前記検査対象物上の重ね合わせマークおよび前記定数管理基準マークのいずれかに照射する照明光学系と、
照明された前記重ね合わせマークおよび定数管理基準マークのいずれか一方からの反射光を光電変換素子上に結像させる結像光学系と、
前記光電変換素子からの検出信号に基づいて、２層に重なる前記重ね合わせマークの位置ズレを検出する位置ズレ検出装置と、
前記結像光学系の視野領域よりも広い視野領域を有するアライメント光学系と、
前記載置台の移動に伴い、前記定数管理基準マークの第１の基準マークを前記結像光学系で検出したときの前記載置台の位置と、前記定数管理基準マークの第２の基準マークを前記アライメント光学系で検出したときの前記載置台の位置とに基づいて前記結像光学系と前記アライメント光学系との軸間距離を計算する制御系とを備えることを特徴とする重ね合わせ測定装置。
請求項１に記載の重ね合わせ測定装置において、
前記第１の基準マークは、前記第２の基準マークの中心に相似形状で形成されていることを特徴とする重ね合わせ測定装置。
請求項１または請求項２のアライメント光学系で前記検査対象物をアライメントした後、あらかじめ設定されている軸間距離だけ前記載置台を移動して、前記重ね合わせマークを前記結像光学系の光軸に位置合わせして重ね合わせマークを測定する方法において、
前記定数管理基準マークの前記第２の基準マークを前記アライメント光学系で検出し、そのときの前記載置台の第１の位置を記憶し、
前記定数管理基準マークの前記第１の基準マークを前記結像光学系で検出し、そのときの前記載置台の第２の位置を記憶し、前記記憶された前記第１の位置と第２の位置とに基づいて、前記軸間距離を計算し、
今回計算された軸間距離と前回計算された軸間距離との差分を算出し、その差分を前記アライメント時の前記載置台の移動量にフィードバックすることを特徴と重ね合わせ測定方法。